SUBE EL SONIDO Y LA ESTRELLA GIRA AL REVÉS

El sonido puede levantar cosas. Entre una bocina vibrante y un reflector, una intensa onda estacionaria ultrasónica crea lugares donde pequeños objetos —gotas, películas finas, granos— flotan en el aire sin tocar nada. La técnica se está desarrollando para el análisis químico y farmacéutico y para ensamblar estructuras diminutas.

Tiene una rareza persistente: los objetos levitados a menudo empiezan a girar por sí solos. Hay explicaciones para casos concretos, pero ninguna regla general decía cuándo giraría un objeto, en qué sentido ni a qué velocidad.

Estrellas de brazos curvos

Sue Shi, Scott Waitukaitis y sus colegas del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) construyeron un levitador que funciona a unos 51 kilohercios, con un reflector de zafiro sobre un soporte cardán de precisión para poder alinear el campo sonoro con gran finura. Imprimieron en 3D partículas fluorescentes de 200 micrómetros de grosor, cada una de las cuales cabía en un círculo de 1 milímetro, y las filmaron desde abajo a 3.000 fotogramas por segundo.

El primer resultado tiene que ver con la simetría. En un campo bien alineado, los triángulos, cuadrados, pentágonos y estrellas de brazos rectos —formas que se ven iguales en un espejo— nunca giran. Las «estrellas quirales», cuyos brazos se curvan todos en el mismo sentido, empiezan a girar en cuanto flotan y alcanzan una velocidad estable en unos cientos de milisegundos. La curva fija el sentido; si se da la vuelta a la estrella, gira al revés. Inclinar a propósito el reflector hace girar incluso a un cuadrado: la rotación espontánea necesita una simetría rota, en el objeto o en el campo sonoro.

Más brazos, comportamiento más extraño

La intuición dice que más brazos captan más sonido y que un sonido más fuerte empuja más. Las mediciones, hechas con tres copias casi idénticas de cada estrella, dicen otra cosa.

3 y 5 brazos: giran cada vez más rápido a medida que sube el voltaje del transductor, y con él la presión sonora.
7 brazos: alcanzan su máxima velocidad hacia los 12–13 voltios y después frenan.
10 brazos: alcanzan su máxima velocidad hacia los 7–8 voltios y después frenan, se detienen y giran en sentido contrario.
12 brazos: la misma secuencia, pero antes: máximo a 7 voltios e inversión hacia los 10 voltios.

Las estrellas más rápidas llegan a unas 50 vueltas por segundo.

Una receta de dos términos

Para explicarlo, el equipo equilibró un par motor —el empuje rotacional que ejerce el sonido— frente al rozamiento del aire. Ambos se escriben como potencias sencillas de la amplitud del sonido: el par tiene un término principal más una corrección que crece más deprisa, y el rozamiento aumenta con la amplitud. El rozamiento no se supone: se mide observando con qué rapidez se estabiliza cada estrella tras un salto brusco de voltaje: el campo sonoro alcanza su nuevo valor en unos diez milisegundos, mientras que la estrella tarda unos 183 milisegundos en recuperar su velocidad (estrella de 12 brazos que pasa de 7 a 8 voltios), un retraso que solo puede venir del arrastre del aire; y se calcula a amplitud cero a partir de la forma de la estrella. Eso deja solo dos números libres por forma, y la curva resultante se ajusta a todas las estrellas, desde la aceleración constante hasta la inversión completa.

Los ajustes cuentan una historia coherente. Más brazos dan un empuje más fuerte a bajo volumen, así que las estrellas con muchos brazos arrancan más deprisa. Pero también aportan una contribución opuesta creciente que gana a alto volumen, y cuando gana, la estrella se invierte. El voltaje de inversión sigue una fórmula sencilla, V* = 1/√(−α), donde α es negativo en cuanto la corrección se opone al empuje: cuanto mayor es en valor absoluto, antes llega la inversión.

Una estrella diseñada para cambiar de sentido

La verdadera prueba fue una predicción. El equipo diseñó una estrella híbrida: una mitad tomada de una estrella de 4 brazos curvados en sentido horario y la otra de una estrella de 10 brazos curvados en sentido contrario. Sumar las curvas previstas de las dos mitades dio un pronóstico: sentido antihorario a bajo volumen, donde domina la mitad de 10 brazos, y horario a alto volumen. La híbrida impresa hizo exactamente eso —antihorario a 7 voltios, quieta a 9 voltios, horario a 11 voltios—, invirtiéndose al voltaje previsto.

Una fuerza que nadie esperaba

El modelo describe el empuje opuesto, pero no dice de dónde viene. Los autores muestran que no puede proceder de la teoría habitual de las fuerzas acústicas, en la que todos los efectos crecen con el cuadrado de la presión sonora: todas esas contribuciones mantendrían entonces las mismas proporciones a medida que el sonido sube, y el sentido del giro nunca podría invertirse. Algo de orden superior está actuando, y se refuerza a medida que los brazos vecinos se acercan; quizá un acoplamiento entre brazos adyacentes a través del sonido y del aire. El siguiente paso es medir o simular el flujo alrededor de una estrella que gira. Mientras tanto, la forma de una partícula se ha convertido en una manera de programar cómo gira.